康定Ms6.3和Ms5.8级地震下摩岗岭震动监测数据研究

贺建先，王运生，曹水合，赫子皓，毛　硕，黄健龙

(成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都　610059)

康定Ms6.3和Ms5.8级地震下摩岗岭震动监测数据研究

贺建先，王运生，曹水合，赫子皓，毛硕，黄健龙

(成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都610059)

摘要：为研究康定Ms6.3和Ms5.8级(Ms为面波震级)2次地震动的响应规律，在大渡河摩岗岭段两岸斜坡不同高程处掘进平硐并安置了强震监测仪。监测数据揭示：1#监测点记录的水平向和竖直向PGA(地表峰值加速度)最大，Ms6.3级水平向达到了16.5～22.2 cm/s2，竖直向也达到了8.9 cm/s2；Ms5.8级水平向为9.9～11.8 cm/s2，竖直向为4.1 cm/s2。以2#监测点记录的2次地震加速度PGA值为参考，1#监测点水平向和竖直向PGA放大系数最大，Ms6.3级水平向和竖直向放大系数分别达到5.4，4.2，而震级较小的Ms5.8分别为3.7，2.2。傅里叶谱分析可得各监测点记录的2次地震卓越频率相差不大。由各监测点加速度反应谱可得同次地震中海拔最高的1#监测点水平向和竖直向反应谱幅值最大；对比同一监测点不同震级加速度反应谱，较大震级的Ms6.3级各个方向幅值比Ms5.8级大。研究表明斜坡不同高程部位对地震波具有选择放大作用，高程越大,这种放大效应越明显。

关键词：康定地震；摩岗岭；边坡地震动响应；PGA放大系数；加速度反应谱

1研究背景

地震作用下边坡的动力响应一直是地震工程和岩土工程十分关心的一个问题。通过对芦山地震以及鲁甸地震的山地灾害调查，一些学者认为这与地形的放大效应有关，但目前斜坡地震动响应研究仍缺乏大量的实测数据。国外一些学者对地形放大效应研究得较早，如Celebi[1]对1985年Central Chile地震数据研究发现，利用频比法可得到地面运动产生放大效应的频率范围,且处于不同地质条件的场地和山脊处有明显的地形放大。再如Geli等[2]对地形放大效应的理论和实测研究作了总结：地形放大效应发生在入射波长与地形坡宽近似相等时的坡顶处，入射P波的地形放大效应低于入射S波的地形放大效应，P-SV波的地形放大效应比SH波稍强，当存在相邻山脊时地形放大效应会有所增加。

汶川地震后,罗永红等[3]研究表明：地形尺寸与地震波波长的耦合作用会使地震波的水平分量显著放大，在单薄山脊、条形山体、坡型转折部位、凸出地形等微地貌地形放大效应明显。王海云等[4]根据自贡地形台阵记录的汶川地震主震加速度时程，利用传统谱比法得出：地形场地在低频(<1 Hz)的放大效应不明显，而在高频(>1 Hz)的放大效应较明显；在1.0～10 Hz频带，山顶地震动的放大效应最大，其次为靠近山顶的山脊上地震动的放大效应；无论是地形场地还是土层场地，地震动的最大放大效应均有水平向大于竖向的特征。芦山地震后，黄润秋等[5]对强震区地质灾害研究发现：崩塌源主要分布在陡立谷坡中上部、突出山嘴等部位。罗永红等[6]对冷竹关芦山地震动响应监测数据分析得出，在强震作用下冷竹关沟右岸的单薄山脊地震动地形放大效应明显强于左岸中高山斜坡，且右岸1#监测点凸出地形放大效应最明显。贺建先等[7-8]对冷竹关康定地震数据研究了斜坡不同高程和不同深度的地震动响应规律。许强等[9-10]通过振动台试验从地震动参数等方面的研究也表明加速度沿高程具有明显的放大效应。祁生文等[11]通过数值模拟得到：在一定坡高范围内，边坡内的加速度、速度、位移随着高程的增加呈增加的趋势；当边坡较高时，加速度、速度、位移随着高程的增加呈现节律性变化。何先龙等[12-13]通过多重函数分析了剪切波速在土层中的传播规律，为评价岩土介质提供了依据。

中国地震台网正式测定：2014-11-22T16:55在四川省甘孜藏族自治州康定县(北纬30.3°，东经101.7°)发生6.3级地震，震源深度18 km；紧接着2014-11-25T23：19在四川省甘孜藏族自治州康定县(北纬30.2°，东经101.7°)又发生5.8级地震，震源深度16 km。据甘孜州抗震救灾指挥部办公室统计，截至24日18时，22日发生的地震共造成5人死亡、55人受伤；根据23日实地调查情况，四川省地震局发布，康定6.3级地震灾害总体偏轻。

成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室依托中国地质调查局项目“西南地区重大地质灾害调查与预警区划”子项目“强震条件下斜坡动力响应及成灾机理研究”，以王运生教授为主的研究团队在泸定县摩岗岭布设地震强震动常观剖面。监测剖面距离康定Ms6.3和Ms5.8地震震中距离分别约为84 km和75 km，2次地震都触发了监测剖面上的3台强震观测仪，研究团队获得了宝贵的强震动监测数据。通过对这2次地震监测的加速度数据进行滤波和基线校正，求其加速度反应谱和PGA值放大系数，研究了监测剖面区域地形放大效应。

表1　监测点基本信息

表2　各监测点地震动参数特征

注：EW为水平东西向，SN为水平南北向，UD为竖直向；卓越频率指土层对地震波具有显著放大效的频率段。

2监测剖面概况

摩岗岭监测剖面位于泸定县南部，地处贡嘎山风景区东坡，海螺沟冰川森林公园入口处，距离泸定县城的直线距离约33.7 km。大渡河的左右两岸，为典型的高山峡谷深切地貌，且右岸被磨西河切割成走向近南北向的单薄山脊，而左岸为浑厚的山体。左右两岸均布置了监测点，监测区出露的地层为澄江-晋宁期的康定杂岩，岩性主要由花岗岩、闪长岩组成，局部可见辉绿岩脉，第四系主要为滑坡堆积、崩坡积堆积以及冲积物。区域主要受大渡河断裂南段(得妥断裂)和磨西断裂的影响。

根据场地工程地质条件以及施工条件，在大渡河左右两岸共开挖了5个监测平硐(右岸3个，左岸2个)，每个平硐水平深度在10 m左右，其位置分布见图1。监测剖面选用的仪器有日本应用地震计测株式会所生产的E-catcher地震监测仪器和中国地震局工程力学研究所与成都理工大学地质灾害防治国家重点实验室共同研发的G01NET-1型斜坡地震动响应监测仪。日本E-catcher仪器基本参数为：灵敏度1 V/g，最大量程2 000 cm/s2，三分量(水平向2个，竖直向1个)，周波数范围为DC～20 Hz(-3 dB)；G01NET-1型仪器的参数为：输入量程-10～10 V，分辨率0.005 V，动态范围≥110 dB。各监测点基本信息见表1。

图1　摩岗岭地震动监测点位置Fig.1　Earthquake monitoring sites in Mogangling slope

3地震动数据分析

康定Ms6.3和Ms5.8级两次地震都触发了监测剖面上1#，2#以及4#监测点，这3个监测点仪器较完整地记录了两岸的地震动响应数据(4#监测点竖直向传感器触发值设置较大，未记录到相应的数据)。通过对数据进行滤波和基线校正后，得到加速度时程曲线，统计各监测点参数见表2。限于篇幅，本文只给出了康定Ms6.3级地震的加速度时程曲线，见图2。

图2　康定Ms6.3级地震下各监测点加速度时程曲线Fig.2　Time-history curves of acceleration at monitoring site during Kangding Ms6.3 earthquake

3.1PGA放大系数研究

由时程曲线(图2)和各监测点动参数(表2)可知，位于右岸的1#监测点记录水平向和竖直向加速度最大：Ms6.3级水平向达到了16.5～22.2 cm/s2，竖直向也达到了8.9 cm/s2；Ms5.8级水平向达到了9.9～11.8 cm/s2，竖直向也达到了4.1 cm/s2。高程相差不大的2#和4#监测点2次记录到的加速度峰值PGA相差不大，但是总体上表现为高程较高的2#监测点较高程较低的4#监测点大。

图3　各监测点加速度PGA放大系数Fig.3　Changes of PGA amplification factor with elevation in two earthquakes

2#监测点揭示场地为完整的基岩，以2#监测点记录的2次地震加速度PGA值为参考，求得其余各监测点相对于2#监测点的PGA放大系数，见图3。

由图3可得：同一次地震数据显示高程对水平向和竖直向加速度有明显的放大效应，水平向和竖直向PGA放大系数随高程呈现非线性增大的趋势，且在坡顶处放大系数达到最大(1#监测点)；高程相差不大的2#和4#监测点水平和竖直向放大系数相差不大；而且总体表现出水平南北(SN)向PGA放大系数大于水平东西(EW)向，水平向放大系数大于竖直(UD)向。对比这2次不同地震，较大震级(Ms6.3级)的水平向和竖直向加速度PGA放大系数都比小震级(Ms5.8级)的大，其1#监测点水平向和竖直向PGA放大系数分别达到了5.4，4.2，而较小震级的为2.7，2.2。

3.2频谱特性分析

限于篇幅，本节只给出康定Ms6.3级地震的傅里叶反应谱(见图4)。

图4　康定Ms6.3级地震各监测点下的傅里叶谱Fig.4　Fourier spectra of monitoring sites during Kangding Ms6.3 earthquake

由傅里叶谱和地震动特征参数(表2)可知：

(1) 各监测点记录的2次地震PGA对应频率相差不大，即其卓越频率相差不大，具体表现为：1#监测点Ms6.3和Ms5.8级的水平EW向分别为0.76，0.81 Hz，水平SN向分别为0.92，1.23 Hz，UD向分别为1.14，1.48 Hz；2#监测点Ms6.3和Ms5.8级的水平EW向分别为0.85，1.41 Hz，水平SN向分别为1.48，1.91 Hz，UD向分别为3.51，3.49 Hz；4#监测点Ms6.3和5.8级的水平EW向分别为0.71，0.71 Hz，水平SN向分别为0.81，0.82 Hz。

(2) 各监测点记录的2次地震数据水平向卓越频率主要集中在较低频段：Ms6.3级的EW，SN主频值在0.76～1.48 Hz,Ms5.8的EW，SN在0.81～1.91 Hz;而UD向集中在较高频段,Ms6.3级在1.14～3.51 Hz，Ms5.8级在1.48～3.49 Hz。

(3) 各监测点记录2次地震的卓越频率由大到小依次为UD向、SN向、EW向，说明竖直方向和水平方向对地震波的放大频段不同，竖向集中在高频部分，水平向集中在低频部分。

(4) 对于不同监测点水平向卓越频率表现为2#>1#>4#，竖直向2#>1#，随高程增加，卓越频率表现为先增大再减小的规律。对比也可看出海拔较高的1#监测点场地条件为土体，在地形条件和场地条件共同作用下对低频部分的地震波放大效应明显[14]。

4加速度反应谱分析

反应谱的概念最早由Biot[15]基于弹性体系动力学的理论于1941年提出。而后学者Housner[16]对一些典型的强震加速度进行了处理，得到了一系列反应谱曲线。反应谱定义为：具有同一阻尼比的一系列单自由度体系的最大反应绝对值与周期的关系，或者说具有相同阻尼特性的，但结构周期不同的单自由度体系，在某一地震作用下的最大反应，其本质上反映的是地震动特性[17]。根据加速度曲线计算水平和竖直分量在不同阻尼比(0.05，0.10，0.20)下的加速度反应谱。限于篇幅，本节只列出康定6.3级地震下1#监测点的加速度反应谱(图5)。

图5　康定6.3级地震下1#监测点的加速度反应谱Fig.5　Acceleration response spectra of monitoring point 1# during the Kangding Ms6.3 earthquake

从反应谱上分析可得：各个监测点的谱值随着阻尼比的增大逐渐减小，阻尼比为0.05时加速度幅值最大，且各监测点的各个方向加速度反应谱形状在不同阻尼比下相差不多。其结果表明场地介质的阻尼特性只影响其地震动振幅值，对地震动过程特性的影响不明显[3]。

对比不同高程各监测点的反应谱，同次地震中高程最大的1#监测点幅值最大，高程接近的2#，4#监测点反应谱幅值相差不大，具体表现为：1#，2#，4#监测点记录的Ms6.3级强震数据在阻尼比为0.05时水平SN向幅值最大，分别为86.3 ，13.8，14.9 cm/s2；1#和2#监测点的UD向反应谱幅值分别为29.7，6.4 cm/s2。对比同一监测点水平向和竖直向反应谱可知：同次地震水平向反应谱幅值大于竖直向幅值，但SN谱值不一定大于EW幅值，并未表现出峰值加速度PGA那样的变化规律(其水平SN向PGA大于EW向PGA值)。

对比各监测点不同地震下的反应谱，震级较大的Ms6.3级各个方向的加速度反应谱幅值较Ms5.8级大，如1#监测点记录的Ms6.3级EW向在阻尼比为0.05下的加速度反应谱幅值为52.5 cm/s2，而Ms5.8级为43.6 cm/s2。

建筑场地的划分一般是以土层的等效剪切波速和场地覆盖层厚度为准的，分为对建筑抗震有利、一般、不利和危险的地段。根据加速度反应谱，可得各个监测点的特征周期，根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[18]中的场地类别划分(表3)，可得各场地类别。求得2次地震各监测点的特征周期见表4。综合考虑可得1#监测点的场地类别划分成Ⅳ类场地，2#和4#监测点可划分为Ⅲ类场地。

表3　GB 50011—2010规定的特征周期值

表4　各监测点加速度分量反应谱特征周期

5结论

本文针对摩岗岭监测剖面在2次康定地震获得的强震动记录，对加速度时程记录进行了滤波和基线校正处理，并求其傅里叶频谱和加速度反应谱，对其地形放大效应进行了分析，得出以下结论：

(1) 右岸1#监测点记录的水平向和竖直向PGA最大：Ms6.3级水平向达到了16.5～22.2 cm/s2，竖直向也达到了8.9 cm/s2；Ms5.8级水平向为9.9～11.8 cm/s2，竖直向为4.1 cm/s2。高程相差不大的2#和4#监测点2次记录到的加速度峰值PGA相差不大，但是总体上表现为高程较高的2#监测点较高程较低的4#监测点大。

(2) 以2#监测点记录的2次地震加速度PGA值为参考，求得其余各监测点相对于2#监测点的PGA放大系数。位于坡顶的1#监测点水平向和竖直向PGA放大系数最大，Ms6.3级水平向和竖直向达到5.4，4.2，而震级较小的Ms5.8为2.7，2.2。

(3) 由傅里叶谱分析可得各监测点记录的2次地震PGA对应频率相差不大，即其卓越频率相差不大。各监测点水平向卓越频率主要集中在较低频段：Ms6.3级水平EW向，SN向主频值在0.76～1.48 Hz,Ms5.8级水平EW向，SN向主频值在0.81～1.91 Hz；而UD向集中在较高频段：Ms6.3级在1.14～3.51 Hz，Ms5.8级在1.48～3.49 Hz。不同监测点水平向卓越频率表现为2#>1#>4#，竖直向2#>1#。相同地震中高程最大的1#监测点反应谱幅值最大，高程接近的2#，4#监测点反应谱幅值相差不大，具体表现为：1#，2#，4#监测点记录的Ms6.3级强震数据在阻尼比为0.05时水平SN幅值最大，分别为86.3，13.8，14.9 cm/s2；1#和2#的UD向反应谱幅值分别为29.7，6.4 cm/s2；且同次地震水平向反应谱幅值大于竖直向幅值。

(4) 斜坡不同高程部位对地震波具有选择放大作用，且高程越大这种地形放大效应越明显。

参考文献：

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(编辑:黄玲)

HE Jian-xian, WANG Yun-sheng, CAO Shui-he, HE Zi-hao, MAO Shuo, HUANG Jian-long

(State Key Laboratory of Geo-hazard Prevention and Geo-environment Protection,

Chengdu University of Technology, Chengdu610059, China)

Analysis of Seismic Monitoring Data at Mogangling Slope Duringthe Kangding Ms6.3 and Ms5.8 Earthquakes

Abstract:In order to analyze the dynamic seismic response and topographic amplification effect of Kangding Ms6.3 and Ms5.8 earthquakes, we excavated adits at different altitudes and placed monitoring instruments on both sides of the slope at Mogangling segment of Dadu River. The monitoring data reveals that 1) the peak ground accelerations (PGA) in both horizontal and vertical directions at 1# monitoring site are the biggest. In Ms6.3 earthquake, the PGA in horizontal and vertical direction is respectively 16.5-22.2 cm/s2 and 8.9 cm/s2, and in Ms5.8 earthquake the horizontal and vertical PGA is 9.9-11.8 cm/s2 and 4.1 cm/s2, respectively; 2) with the horizontal and vertical PGA at 2# monitoring site as reference, the horizontal and vertical PGA amplification factors of 1# monitoring site are the biggest, reaching 5.4 and 4.2 respectively in Ms6.3 earthquake and 3.7 and 2.2 respectively in Ms5.8 earthquake; 3) difference of predominant period of each monitoring site is not big in the same period frequency from Fourier spectrum in both earthquakes; 4) the acceleration response spectrum at each monitoring site shows that the horizontal and vertical amplitudes of 1# monitoring site (which is in the highest altitude) are the biggest. For the same site, horizontal and vertical amplitudes of Ms6.3 earthquake are both larger than those of Ms5.8 earthquake. Studies suggest that under strong earthquake, seismic wave is amplified selectively in different parts of slope at different elevations, and topographic amplification effect of ground motion is bigger at higher altitude.

Key words:Kangding Earthquake; Mogangling; dynamic response of slope under earthquake; amplification coefficient of PGA; acceleration response spectrum

收稿日期：2015-03-19；修回日期：2015-04-15

基金项目：国家自然科学基金项目(41072231);中国地质调查局项目(1212011220154)

作者简介：贺建先(1991-)，男，四川旺苍人，硕士研究生，主要从事工程地质和地质灾害研究工作，(电话)15202831960(电子信箱)593152264@qq.com。

doi:10.11988/ckyyb.20150199

中图分类号：P642

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)06-0047-06

2016,33(06):47-52